[發明專利]耐輻射線金屬氧化物半導體場效應晶體管

在審

• 申請號: 201811547165.5
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN110277450A
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 李熙哲;盧永卓
• 申請（專利權）人: 韓國科學技術院
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L23/552;H01L29/08
• 代理公司: 北京金宏來專利代理事務所(特殊普通合伙) 11641
• 代理人: 許振強;杜正國

本發明涉及阻斷由總劑量效應引起的泄漏電流路徑并減少由單粒子效應引起的電流脈沖的影響的耐輻射線金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，上述耐輻射線金屬氧化物半導體場效應晶體管包括：多晶硅柵極層(poly gate layer)，用于指定柵極(gate)區域及至少一個虛擬柵極(Dummy gate)區域；源極(source)及漏極(drain)；P+層及P?有源層，在上述源極及漏極指定P+區域；以及虛擬漏極(Dummy Drain)，可施加電壓。根據上述本發明，可提供在具有粒子輻射線和電磁波輻射線的輻射線環境下也可正常工作的電子部件。

技術領域

本發明涉及耐輻射線金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，更詳細地，涉及具有抗單粒子效應和總劑量效應的耐輻射線特性的金屬氧化物半導體場效應晶體管。

背景技術

輻射線是指由構成原子或分子的成員在以高能級狀態不穩定的情況下發射的能量流，以X射線、γ射線、α射線、β射線、中子、質子等的輻射線形式出現。它們分為粒子形式或電磁波，粒子形式稱為粒子輻射線，電磁波形式稱為電磁波輻射線。即使是各不相同的輻射線，也可從能量流的本質根據能量的傳遞或被吸收的量的大小評價輻射線的強度或對物體的影響。

將通過入射輻射線來制造離子(Ion)的輻射線稱為電離輻射線，除此之外的輻射線稱為非電離輻射線。尤其，電離輻射線對構成電子部件的金屬氧化物半導體場效應晶體管的半導體物質的原子進行電離或離子化而導致受損，從而無法確保正常的工作并使電子部件受到暫時或永久損傷。

圖1為常規金屬氧化物半導體場效應晶體管的結構圖。

參照圖1，常規金屬氧化物半導體場效應晶體管包括：柵極(Gate)，用于控制晶體管(Transistor)的動作；漏極(Drain)和源極(Source)，通過柵極來使電流信號流動；以及主體(Body)。晶體管的氧化膜厚度為10nm以上，若電離輻射線向形成有電場的部分入射，則空穴(Hole)在氧化膜與硅之間的邊界產生陷阱(Trapping)。若在向柵極施加電壓的狀態下入射電離輻射線，則在漏極與源極之間的氧化膜邊界產生空穴陷阱(Hole trapping)，從而產生溝道反轉(Channel inversion)來形成電流流動的泄漏電流路徑(Leakage currentpath)。通過電離輻射線形成的泄漏電流路徑引起金屬氧化物半導體場效應晶體管的非正常動作，這種現象稱為電離總劑量輻射線效應(Total Ionizing Dose Effect)。

金屬氧化物半導體場效應晶體管的漏極/源極和主體由PN結(PN junction)構成。在PN結中，若向形成有反向偏壓(Reverse bias)的部分入射粒子輻射線，則生成多個電子空穴對(Electron hole pair)，上述反向偏壓為向N形部分施加正電壓、向P形部分施加負電壓，電子和空穴借助由反向偏壓引起的電磁場分別使電流脈沖(Pulse)以漏極/源極方向和主體方向流動。通常，在PN結中施加反向偏壓的狀態下，內建電位(Built-in potential)高于平衡狀態下的電位，因而多個載流子(Carrier)無法向相反區域移動，使得電流不流動。通過入射輻射線產生的電流脈沖影響由金屬氧化物半導體場效應晶體管構成的電路，從而引起改變存儲的數據等的問題，這種現象稱為單粒子效應(Single Event Effect)。

由于這種電離總劑量輻射線效應和單粒子效應，在輻射線環境下無法確保金屬氧化物半導體場效應晶體管的正常工作，這也成為由這種金屬氧化物半導體場效應晶體管構成的電路或系統在輻射線環境下異常工作的原因。

作為耐輻射線單元器件來利用圖3所示的虛擬柵極的金屬氧化物半導體場效應晶體管通過適用虛擬柵極層(Dummy poly gate later)和P-有源層(P-active layer)、P+層(P+layer)、虛擬金屬-1層(Dummy Metal-1layer)來阻斷因電離總劑量輻射線效應而引起的泄漏電流路徑。